Magnetische Getriebe gestatten die berührungslose Drehmomentüber- tragung zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebswelle und zeichnen sich durch entsprechend geringe Reibungsverluste sowie eine niedrige Geräuschentwicklung aus. Sie eignen sich daher für eine Vielzahl unter- schiedlicher Anwendungen, wobei sich insbesondere bei hohen Dreh- zahlen erhebliche Vorteile gegenüber mechanischen Getrieben ergeben.

Aus der Druckschrift DE 42 23 815 ist ein magnetisches Getriebe mit koaxialen Antriebs- und Abtriebsweilen bekannt, die entlang ihres Um- fangs mit Magneten alternierender Ausrichtung versehen sind. Zweck- mä ig sind die Magnete dabei auf endseitig an den Wellen befestigten Rädern oder Scheiben angeordnet, Entsprechend der abwechselnden Folge magnetischer Nord- und Südpole variiert das Feld periodisch im Bereich des Umfangs beider Wellen, so da sowohl energetisch günsti- ge als auch ungünstige Ausrichtungen relativ zueinander existieren.

Folglich bewegen sich die Wellen - analog einem mechanischen Form- schlu - stets zueinander synchron, wobei die Übersetzung durch unter- schiedliche Polzahlen auf beiden erreicht wird.

Im Stande der Technik wird der koaxiale Aufbau des Getriebes realisiert, indem beide Wellen mittels ortsfester magnetischer Flu führungsele- mente, beispielsweise Eisenblechen, aufeinander einwirken, so da sich

die Magnete im Abstand zueinander bewegen können, Die nachteilige Folge dieses Aufbaus besteht darin, da Streuverluste das maximal übertragbare Drehmoment begrenzen sowie eine lückenlose Anordnung der Magnete entlang des Umfangs und damit eine gleichmä ige Drehmomentübertragung nicht möglich ist. Weiterhin führt die beständi- ge Umpolung der Flu führungselemente während der Drehung der Wel- len zu erheblichen Energieverlusten durch Hysterese, die insbesondere bei hohen Drehzahlen des Magnetgetriebes eine hohe Wärmeentwick- lung zur Folge haben. Zudem werden Wirbelströme in den Führungs- elementen induziert, die gleichfalls eine Verminderung des Wirkungs- grades zur Folge haben. Schlie lich ist das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch das Verhältnis der Polzahlen beider Wellen vorgegeben und damit auf Werte begrenzt, die sich durch geeignete Anordnungen der Magnete erreichen lassen.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Entwicklung eines insbesondere für hohe Drehzahlen geeigneten magnetischen Getriebes mit koaxialen Antriebs- und Abtriebswellen zur Aufgabe gestellt, das ei- nen verbesserten Wirkungsgrad zeigt und bei Verwendung von Bauteilen mit einheitlichen Abmessungen verschiedenste Übersetzungsverhältnis- se über einen gro en Bereich hinweg ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemä durch ein magnetisches Planeten- getriebe gemä der Lehre der Ansprüche gelöst.

Das vorgeschlagene magnetische Getriebe umfa t neben der Antriebs- welle und Abtriebswelle ein weiteres bzw. zusätzliches Rad, dessen Achse zu den Wellen parallel ausgerichtet ist. Ebenso wie die Wellen ist das Rad entlang seines Umfanges mit Magneten in alternierender Aus- richtung versehen, wofür sich insbesondere Permanentmagnete anbie- ten. Um eine gleichmä ige Drehmoment-Übertragung zu gewährleisten, ist zweckmä ig eine gerade Zahl von Polen in äquidistanter Anordnung

entlang des Umfangs vorzusehen, so da eine alternierende Magnetaus- richtung unter Vermeidung gleichartiger benachbarter Pole möglich ist.

Räder und Wellen bilden ein Planetengetriebe mit einem zentralen Son- nenrad, einem Au enrad und einem oder mehreren Planetenrädern, die auf Au en- und Sonnenrad abrollen. Dabei ist die Zuordnung der Ele- mente der vorgesehenen Übersetzung entsprechend variierbar, d. h. je- des der Räder und somit auch das zusätzliche Rad kann das Sonnen- rad, Au enrad oder Planetenrad des Getriebes sein. Dasjenige der Rä- der des Planetengetriebes, welches weder Antrieb- noch Abtrieb bildet, ist stets zur Achse beider Wellen raumfest, also allenfalls um solche Achsen drehbar, die nicht zur Wellenachse koaxial sind. Es bietet sich an, das bzw. die Planetenräder auf einem Planetenträger drehbar anzu- bringen, so da sich ihre Führung verbessert. Stellt das Planetenrad den An- oder Abtrieb des Getriebes dar, so ist ein mit der jeweiligen Welle verbundener Planetenträger erforderlich.

Das vorgeschlagene Planetengetriebe ist wartungsarm, da es aufgrund der berührungslosen Drehmomentübertragung keine Schmiermittel be- nötigt. Daneben gestattet der schmiermittelfreie Betrieb die Erreichung extrem hoher Drehzahlen, die sich mit mechanischen Getrieben nicht er- reichen lassen, da das Schmiermittel unter dem Einflu der Fliehkräfte von den Oberflächen ihrer Übersetzungselemente weggeschleudert wird.

Weiterhin ist das Getriebe aufgrund seiner berührungslos gekoppelten Elemente auch bei hohen Drehzahlen geräuscharm und abnutzungsfrei.

Da die Kraftübertragung zwischen den Wellen ohne magnetische Flu - führungselemente er folgt, werden sowohl Hysterese- als auch Wirbel- stromverluste vermieden, so da ein hervorragender Wirkungsgrad die Folge ist, der auch bei hohen Drehzahlen erhalten bleibt. Durch unter- schiedliche Ankopplungen der Antriebs- und Abtriebswelle sowie Polzahlen der Räder sind verschiedenste Über- und Untersetzungsver- hältnisse bei gleichen Radabmessungen möglich.

Ein weiterer Vorteil des magnetischen Planetengetriebes besteht darin, da das Abtriebsrad bei Uberlast durchrutscht, ohne da Schädigungen oder Abnutzungen entstehen. Sobald das Grenzdrehmoment, das durch Feldstärke und Zahl der Magnete vorgegeben ist, wieder unterschritten wird, findet erneut eine gekoppelte Bewegung der Wellen statt, Entspre- chend wirkt das Getriebe gleichzeitig als wartungsfreie Überlastkupp- lung.

Als zweckmä ig erweist sich insbesondere ein Getriebeaufbau mit fest- stehendem Au enrad, bei dem das oder die Planetenräder mit der An- triebs- oder Abtriebswelle verbunden sind. In diesem Fall greift die Welle an einem Planetenträger an, auf dem die Planetenräder um ihre Achse drehbar befestigt sind. Bei mehreren Planetenrädern ist eine symmetri- sche Anordnung zur Wellenachse bevorzugt.

In der praktischen Anwendung ist das Übersetzungsverhältnis eines ein- zelnen Planetengetriebes auf Werte von maximal etwa 12 begrenzt, Grö ere Übersetzungsverhältnisse erfordern entweder Räder mit sehr geringen Polzahlen, die eine ungleichmä ige Drehmomentübertragung zur Folge haben, oder gro e Abmessungen des Planetengetriebes, wenn das notwendige Polzahlverhältnis durch eine vergrö erte Zahl der Magnete erreicht werden soll. Wesentlich grö ere Übersetzungsverhält- nisse lassen sich bei gleichmä iger Drehmomentübertragung erreichen, indem zwei koaxiale Planetengetriebe ein Differenzgetriebe bilden. So- wohl das Sonnenrad, an dem die Antriebs- oder die Abtriebswelle befe- stigt ist, als auch die Planetenräder sind beiden Planetengetrieben ge- meinsam. Die jeweils andere Welle ist starr mit dem Au enrad des einen Planetengetriebes verbunden, während das andere Au enrad ortsfest ist. Unterscheidet sich die Polzahl P3 des feststehenden von der Polzahl P4 des drehbaren Au enrades, so beträgt das Übersetzungsverhältnis des Differenzgetriebes

P1 + P3 P4 = .

P1 P3 - P4 wenn Pl die Polzahl des Sonnenrades ist. Sind die P3 und P4 nahezu gleich gro , so lassen sich folglich extrem gro e und kleine Übersetzun- gen realisieren. Da die Polzahlen auf den Rädern zweckmä ig gerade sind, unterscheidet sich die Polzahl beider Au enräder zur Erzielung eines hohen Übersetzungsverhältnisses bevorzugt um zwei oder vier. In der Praxis sind Werte des Verhältnisses um 400 erreichbar, die durch die mi- nimalen Abmessungen der Magnete und die maximalen Raddurchmesser begrenzt sind, Mit dem Differenzgetriebe lassen sich folglich bei gegen- über einem einzelnen Planetengetriebe nahezu unveränderten Au enma- en extrem hohe Übersetzungsverhältnisse und damit Drehzahlen errei- chen.

Bei einem mechanischen Getriebe ist eine gleichmä ige und spielarme Drehmomentübertragung nur dann realisierbar, wenn die Abmessungen und Abstände von Zähnen und Ausnehmungen ineinander greifender Rä- der aufeinander abgestimmt sind. Im Gegensatz dazu hat ein magneti- scher Pol unabhängig von seinen Abmessungen stets eine eindeutig fest- gelegte, optimale Position in einem Magnetfeld. Somit lä t sich eine gleichmä ige Drehmomentübertragung auch dann sicherstellen, wenn die Breite der Magnete oder ihr Abstand auf unterschiedlichen Rädern des Getriebes in Umfangsrichtung voneinander abweicht. Insbesondere lassen sich auf beiden Au enrädern des Differenzgetriebes bei gleichem Durch- messer unterschiedliche Polzahlen anbringen. In der vorteilhaften Folge wird die Fertigung durch Verwendung einheitlicher oder zumindest in ihren Abmessungen gleicher Bauteile erheblich vereinfacht.

Aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung unterschiedlicher Planeten- rollen können bei dem erfindungsgemä en Getriebe während eines Umlaufes geringe Drehmomentschwankungen entstehen. Zur Vermei- dung wird vorgeschlagen, die Magnete geschrägt, d.h. im Winkel zur Wellenachse, auf Rollen bzw. Rädern anzubringen. Die Anbringung kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Aufkleben, reib- schlüssiges Einklemmen oder formschlüssiges Einsetzen in Aussparun- gen.

Im allgemeinen ist es üblich, die Räder eines Planetengetriebes in einer Ebene senkrecht der Wellenachse anzuordnen. Dabei befinden sich die Pole der Magnete zweckmä ig jeweils am äu eren Umfang der Räder.

Eine vorteilhafte Alternative besteht darin, ein Planeten- oder Differenz- getriebe als Scheibengetriebe auszufahren. In diesem Fall befinden sich die Pole der Magnete auf den axialen stirnseiten scheibenförmiger Rä- der, wobei die Anordnung nahe dem Umfang zur Maximierung des über- tragbaren Momentes bevorzugt ist. In Projektion parallel der Wellenach- se besteht somit eine randseitige Überlappung derjenigen Räder, die aufeinander abrollen. Mit Scheibengetrieben lassen sich speziell hohe Antriebsleistungen in vorteilhafter Weise übersetzen. Zur Übertragung hoher Drehmomente ist es denkbar, ein Mehrfachscheibengetriebe zu verwenden, bei dem jedem Rad des Planeten- bzw. Differenzgetriebes mehrere Scheiben entsprechen.

Das erfindungsgemä e Planetengetriebe kann insbesondere zusammen mit einer Spindel eingesetzt werden, welche zum rotatorischen Antrieb einer Maschine oder eines Werkzeuges mit hoher Drehzahl und Lei- stung, insbesondere oberhalb von 10.000 U/min und 1 kw Nennleistung dient. Dazu wird die Spindel mit der Abtriebswelle des erfindungsgemä- en Planetengetriebes gekoppelt oder stellt diese Abtriebswelle dar. Die Antriebswelle ist dabei mit einem Motor mit niedriger maximaler Dreh- zahl gekoppelt. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Abtriebswelle

und der Antriebswelle stellt dabei den Quotienten aus der maximalen Drehzahl des Motors und der maximalen Solldrehzahl der Spindel dar.

Dabei lassen sich als Antrieb handelsübliche Motoren niedriger maxi- maler Drehzahl im Bereich zwischen 1000 und 3000 U/min einsetzen, falls eine geeignete Umsetzung der Drehzahl erfolgt. Derartige Motoren benötigen weder eine aufwendige Steuerung noch sind sie in ihrem me- chanischen Aufbau aufwendig, so da sich erhebliche Kosteneinsparun- gen ergeben. Für die erforderliche Drehzahlumsetzung dient dabei das erfindungsgemä e magnetische Getriebe zwischen Spindel und Motor.

Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Abtriebswelle und der An- triebswelle des magnetischen Getriebes ist dabei der Quotient aus der maximalen Drehzahl des Motors und der maximalen Solldrehzahl der Spindel. Auf diese Weise lassen sich Drehzahlen oberhalb von 10.000 U/min erreichen, wobei mechanische Leistungen im Bereich einiger kw übertragbar sind. Das entgegengesetzte Ende der Spindel ist zweckmä- igerweise mit einer Werkzeugaufnahme, etwa einer Spannzange ver- sehen, welche die Ankopplung von z.B. Schleif-, Bohr- oder Fräsvor- richtungen gestattet. Die Spindellager sind bevorzugt lebensdauerge- schmiert, wobei sich Labyrinthdichtungen aufgrund der hohen Drehzah- len zu ihrem Verschlu anbieten. Die mit dem erfindungsgemä en Ge- triebe gekoppelte Spindel zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad und eine geringe Geräuschentwicklung aus. Dies beruht auf der berüh- rungslosen und damit reibungsfreien Kraftübertragung innerhalb des magnetischen Getriebes. Aus dem gleichen Grund ist die Spindel bei le- bensdauergeschmierten Lagern wartungsfrei, da weder eine mechani- sche Abnutzung des magnetischen Getriebes erfolgt noch eine Schmie- rung seiner Elemente notwendig ist.

Bei dem Motor handelt es sich dabei zweckmä igerweise um einen Elektromotor, wie er sich als Antrieb von Maschinen und Werkzeugen bewährt hat. Speziell geeignet ist ein Frequenz-Asynchronmotor, dessen

Drehzahl durch einen Frequenzumrichter vorgegeben oder mit ihm re- gelbar ist.

Um die Handhabung und den Aufbau der Spindel zu vereinfachen, weist sie vorzugsweise ein mit dem magnetischen Getriebe gemeinsames Ge- häuse auf, das sie ganz oder teilweise umgibt und damit einen Berüh- rungsschutz im rotierenden Zustand bildet sowie ihre Lager aufnimmt.

Dabei kann das Gehäuse auch unmittelbar als Stator eines Planetenge- triebes dienen, indem die ortsfesten Magnete des Getriebes an der Ge- häuseinnenseite befestigt sind. Weiterhin ist zur Vereinfachung des Auf- baus denkbar, da die Spindel die Abtriebswelle des magnetischen Ge- triebes ist und die Pole des Sonnenrades gegebenenfalls unmittelbar an ihr befestigt sind.

Im allgemeinen ist eine direkte Ankopplung des Motors an die Antriebs- welle des magnetischen Getriebes vorgesehen. Als vorteilhafte Alterna- tive bietet sich an, die Kopplung durch einen Antriebsriemen zwischen Motorwelle und Antriebswelle des magnetischen Getriebes vorzuneh- men. Mit dem derart erzeugten Riemengetriebe ist mittels Riemenschei- ben unterschiedlicher Radien auf beiden Wellen eine zusätzliche Über- setzung zur Erreichung höchster Drehzahlen möglich, vorzugsweise um einen Faktor im Bereich von 1 bis 2.

Zweckmä igerweise beträgt das Übersetzungsverhältnis des magneti- schen Getriebes zwischen 2 und 20, vorzugsweise 4 bis 6. Auf diese Weise lassen sich bei einer Drehzahl des Motors von 3.000 U/min Spin- deldrehzahlen bis zu 60.000 U/min erreichen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert sind. Von den Zeichnungen zeigen in prinzipienhafter Darstellung:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemä es magnetisches Planetengetriebe, welches mit einer Spindel ausgerüstet ist Fig. 2 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfin- dungsgemä en Planetengetriebes in Form eines Differenzgetriebes, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-B in Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform in Form ei- nes Scheibengetriebes, Fig. 5 eine Ansicht eines erfindungsgemä en Planetengetriebes, welches mit einer Spindel und einem Motor gekoppelt ist und Fig. 6 eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform zu der in der in Fig. 5 gezeigten.

Funktionsweise und Aufbau eines erfindungsgemä en magnetischen Getriebes bzw. Planetengetriebes lassen sich anhand der Fig. 1 be- schreiben, die einen Längsschnitt in Form eines Winkelschnittes analog der Linie C-D der Fig. 3 durch das Gehäuse 22 darstellt. Das in der Fig.

1 gezeigte Planetengetriebe ist aufgebaut aus einem zentralen Sonnen- rad 4, einem Au enrad 2 und Planetenrädern 7, die zwischen dem Son- nenrad 4 und dem Au enrad 2 abrollen und auf einem Planetenträger 11 um die Achsen 10 drehbar befestigt sind. Dabei erfolgt die Kraftübertra- gung im Gegensatz zu einem mechanischen Getriebe nicht durch den formschlüssigen Eingriff der Räder 2, 4, 7, sondern durch die Kraftwir- kung entlang ihres Umfanges angeordneter Magnete 8. insbesondere stehen die Räder 2, 4, 7 nicht in mechanischem Kontakt miteinander, sondern ihre synchrone Bewegung wird durch die anziehenden und ab- sto enden Kräfte der magnetischen Pole bewirkt.

Die Antriebswelle 3 des Planetengetriebes setzt den starr mit ihr ver- bundenen Planetenträger 11 in Rotation, so da die Planetenräder 7 auf dem starr mit dem Gehäuse 5 verbundenen Au enrad 2 abrollen und auf

diese Weise das Sonnenrad 4 in Rotation versetzen. Dabei wird das Übersetzungsverhältnis durch die Polzahl der Magnete 8 entlang des Umfanges des Sonnenrades 4 und des Au enrades 2 bestimmt. Das Sonnenrad 4 ist mit der Spindel 1' verbunden oder wird, wie im darge- stellten Beispiel, von ihrem Ende gebildet, d.h. die Spindel 1' ist hier die Abtriebswelle 1 des erfindungsgemä en Getriebes. Lager 17 bis 20 die- nen zur Führung der drehbaren Teile und ermöglichen insbesondere die Rotation von Antriebswelle 3 und Spindel 1' relativ zueinander und ge- genüber dem Gehäuse 5.

Im Ergebnis entsteht auf diese Weise eine preiswerte Antriebsspindel für Werkzeuge und Maschinen hoher Drehzahl, die einen guten Wirkungs- grad aufweist, geräuscharm ist und einen einfachen Aufbau besitzt.

Eine Ansicht eines erfindungsgemä en Planetengetriebes zusammen mit einer Spindel zeigt die Fig. 5, die gemeinsam mit dem erfindungs- gemä en Getriebe im Gehäuse 5 angeordnet und an ihrem Ende mit ei- ner Werkzeugaufnahme 23 versehen ist, in der sich beispielsweise ein Fräskopf 24 zur Bearbeitung eines Werkstückes 25 festlegen lä t. Der Antrieb der Spindel 1' erfolgt durch einen handelsüblichen Elektromotor 26, der mittels eines Antriebsriemens 27 auf die Antriebswelle 3 des Getriebes einwirkt. Durch unterschiedliche Durchmesser der Scheiben- räder 29, über die der Antriebsriemen 27 verläuft, lä t sich dabei die Übersetzung zwischen Elektromotor 26 und Antriebswelle 3 verändern.

In der Fig. 6 ist eine alternative Kopplung des Elektromotors 26 an die Antriebswelle 3 dargestellt, die in diesem Fall mit einer Balgkupplung 30 erfolgt. Ansonsten entspricht der Aufbau der Vorrichtung dem vorbe- schriebenen Beispiel.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemä en magnetischen Getriebes bzw. Planetengetriebes stellt das in der Fig. 2 gezeigte Diffe- renzgetriebe dar. Dabei werden Teile, die dem in der Fig. 1 gezeigten Getriebe entsprechen, auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Dieses Differenzgetriebe wird von einem mit der Antriebswelle 3 verbun- denen Au enrad 2 einem an die Abtriebswelle 1 gekoppelten Sonnenrad 4, einem starr am Gehäuse 5 befestigten, ortsfesten Au enrad 6 sowie darauf abrollenden Planeten rädern 7 gebildet. Die Kraftübertragung er- folgt dabei berührungsfrei durch auf den Rädern 2, 4, 6, 7 befestigte Magnete 8. Lager 9 ermöglichen die Rotation der Wellen 1, 3 gegenein- ander sowie gegenüber dem Gehäuse 5. Zur Verbesserung der Führung sind die Drehachsen 10 der Planetenräder 7 in einem Planetenträger 11 gelagert, der um die Abtriebswelle 1 drehbar ist und ihre Ausrichtung und Anordnung bezüglich der Wellenachse festlegt.

Fig. 2 stellt dabei einen Längs-Winkelschnitt entlang der Linie C-D der Fig. 3 dar, welche wiederum einen Querschnitt entlang der Linie A-B der Fig. 2 zeigt.

Der Querschnitt in Figur 3 macht das Zusammenwirken der Getriebee- lemente durch die Felder der Magnete 8, deren Ausrichtung durch Pfeile dargestellt ist, deutlich. Eine gegenseitige Berührung der Räder findet nicht statt. Wird das Au enrad 2 durch die Antriebswelle 3 in Rotation versetzt, so rollen die Planeten räder 7 bezüglich seiner Oberfläche in der Weise ab, da die Ausrichtung der Magnete 8 auf den gegenüberlie- genden Oberflächen der Räder 2, 7 stets parallel ist. In analoger Weise richtet sich auch das zentrale Sonnenrad 4 gegenüber den Planetenrä- dern 7 stets in der Weise aus, da seine Magnete 8 zu den Magneten 8 benachbarter Planetenräder 7 parallel stehen. Daher wird auch das zentrale Sonnenrad 4 mit der Abtriebswelle 1 in Rotation versetzt, wenn das Au enrad 2 die Planetenräder 7 dreht.

Figur 4 stellt eine alternative Ausführung des Differenzgetriebes als Scheibengetriebe dar. Dabei erfolgt die Bewegung der Bauteile gegen- einander in gleicher Weise wie im vorbeschriebenen Beispiel. Die Ma- gnete 8 sind jedoch auf den Stirnseiten 12 der scheibenförmigen Räder 2, 4, 6, 7 angeordnet. Um eine effektive Kraftübertragung zu gewährlei- sten, sind die Räder 2, 4, 6, 7 in unterschiedlichen Ebenen angeordnet und in axialer Richtung lediglich durch schmale Spalte 13 beabstandet.

In Blickrichtung parallel der Wellen 1, 3 ergibt sich daher eine zumindest randseitige Überlappung der Räder 2, 4, 6, 7.

Im Ergebnis entsteht ein magnetisches Planetengetriebe, das auch bei hohen Drehzahlen einen hervorragenden Wirkungsgrad aufweist, extrem gro e Übersetzungen ermöglicht und sich wartungsarm sowie mit gerin- ger Geräuschentwicklung betreiben lä t.